(57)【要約】【課題】繰り返し荷重が作用する金属製部品等に対するレーザピーニング処理において、被加工材の表面における最大主応力の方向の残留圧縮応力を選択的に高め、疲労寿命が長い加工物を得る。【解決手段】パルスレーザビームのスポットを、被加工材の表面における最大主応力の方向と直交する向きに走査する。この走査は、最大主応力の方向に位置をずらしながら複数回行なう。ここで、同一点におけるパルスレーザビームの照射回数の平均値を２回以上とすることで、被加工材表面における最大主応力の方向の残留圧縮応力を選択的に高めることができる。この結果、疲労強度の高い金属製部品を得ることができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工材の表面にパルスレーザビームを集光、照射して得るビームスポットで該表面を走査して、該表面に残留圧縮応力を発生させて、該表面に前記パルスレーザビームを重畳照射して、表面の面内の特定方向に残留圧縮応力を付与するレーザピーニング処理方法であって、
前記被加工材が構造用部材で使用時に荷重応力が負荷されるものであり、前記特定方向が該被加工材の表面における最大主応力の方向であることを特徴とするレーザピーニング処理方法。
【請求項２】
前記被加工材の表面に前記パルスレーザビームを吸収する材料層を形成して、前記パルスレーザビームの重畳照射を行なうことを特徴とする請求項１に記載のレーザピーニング処理方法。
【請求項３】
前記パルスレーザビームの重畳照射が、該被加工材の表面における最大主応力の方向と直交する向きに前記ビームスポットを走査して、且つ該走査を最大主応力の方向に位置をずらしながら複数回行なうものであって、前記表面の同一点における前記パルスレーザビームの照射回数の平均値（平均重畳回数）が４回以上であり、且つ平均重畳回数を、被加工材の強度、パルスレーザビームの照射条件、および所望の圧縮応力値に基づいて決定することを特徴とする請求項１に記載のレーザピーニング処理方法。
【請求項４】
請求項３に記載のレーザピーニング処理方法において、
さらに前記パルスレーザビームの重畳照射を行なう前に、前記被加工材の表面に前記パルスレーザビームを吸収する材料層を形成し、且つ前記表面の同一点における前記パルスレーザビームの照射回数の平均値（平均重畳回数）が２回以上であり、且つ平均重畳回数を、被加工材の強度、パルスレーザビームの照射条件、および所望の圧縮応力値に基づいて決定することを特徴とするレーザピーニング処理方法。
【請求項５】
前記被加工材は表面に穴を有し、使用時に応力が負荷されるものであって、該穴の周囲における最大主応力の方向が該穴の周方向であることを特徴とする請求項１〜４の内の１項に記載のレーザピーニング処理方法。
【請求項６】
前記被加工材は表面に溝を有し使用時に応力が負荷されるものであって、該溝の底部における最大主応力の方向が溝に沿った向きと直角をなす方向であることを特徴とする請求項１〜４の内の１項に記載のレーザピーニング処理方法。
【請求項７】
請求項１〜６の内のいずれか１項に記載のレーザピーニング処理方法で製造した金属物体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属物体の表面にレーザピーニング処理を施すことにより、金属物体の疲労強度を向上させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に溶接構造物の溶接部やプレス成型部品の塑性変形部位は引っ張り残留応力が生じやすく、繰り返し荷重負荷時の疲労亀裂発生の要因となることが知られている。繰り返し荷重を受ける金属製部品や金属製構造物（まとめて金属物体または構造用部材と呼ぶ）における疲労き裂の発生および進展を抑制する疲労強度向上法としては、繰り返し荷重を受ける部分に圧縮応力を残留させる方法がある。そのような圧縮応力を付与する処理として、ショットピーニング、超音波ピーニング等の方法が知られている。
【０００３】
また、近年開発が進められているレーザピーニングは、レーザビームの吸収が少ない水などを介する金属物体の表面へのパルスレーザビームの照射により発生するプラズマの膨張反力を利用して、金属物体の表面近傍に残留圧縮応力を付与する技術であり、例えば特許文献１にその方法が開示されている。
【０００４】
レーザピーニング処理は、ショットピーニングや超音波ピーニング等の他のピーニング方法と比較して次のような利点を持っている。まず、レーザビームの照射スポットを高精度で制御することが可能なため、例えば直径が１ｍｍ程度の穴の周辺部といった、微小領域への選択的な圧縮応力付与に適している。また、加工に伴う表面形状の変化が小さいという利点も持っている。ショットピーニングや超音波ピーニングでは、処理によって加工面が荒れてしまうため、表面形状精度を要求されるような機械部品への適用には、ピーニング加工面に対する再研磨等の後工程が必要になるという問題があった。レーザピーニングでは加工に伴う表面形状の変化が小さいため、このような後工程を省略できることが多い。
【０００５】
レーザピーニング処理において、加工面に圧縮応力を付与するための照射方法に関しては、いくつかの方法が提案されてきた。例えば特許文献２には、パルスレーザビームの照射スポットが互いに重なり合うように処理することによって、被加工面全体に均質に圧縮応力を残留させられることが開示されている。
【特許文献１】特許第３３７３６３８号公報
【特許文献２】特許第３４６１９４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
レーザピーニング処理を金属物体（以下では被加工材とも呼ぶ）へ適用するにあたっては、繰り返し荷重が作用することで発生する応力の最大主応力の方向（以下、最大主応力方向）に大きな圧縮応力を付与するほど疲労強度向上の効果は大きくなる。
【０００７】
特許文献２に開示されたような、レーザビームの照射スポットを、未照射領域を作らないように重ね合わせる方法は、被加工面全体に対しどの方向にもほぼ均一な圧縮応力を付与するため、原子炉内部の構造物の応力腐食割れの防止等の目的には適切な照射方法である。しかしながら、例えば機械部品等の金属物体で一方向または限られた方向への繰り返し荷重が作用するときには、最大主応力方向へ強力な圧縮応力を付与することが疲労強度の向上に効果的である。
【０００８】
本発明は、金属物体に対して施すレーザピーニング処理方法において、表面の特定方向に大きな圧縮応力を付与する方法を提供することを第１の目的とし、当該圧縮応力によって金属物体の疲労強度を高めることを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記目的を達成するために、レーザピーニング処理における被加工材表面のパルスレーザビームの照射ビームスポットの走査方法を鋭意検討した結果、被加工材表面の特定方向の残留圧縮応力を選択的に高めることができ、その結果、被加工材の疲労強度を高めることのできる本発明に至った。すなわち、本発明は、以下に示すものである。
（１）  本発明のレーザピーニング処理方法は、被加工材の表面にパルスレーザビームを集光、照射して得るビームスポットで該表面を走査して、該表面に残留圧縮応力を発生させて、該表面に前記パルスレーザビームを重畳照射して、表面の面内の特定方向に残留圧縮応力を付与するレーザピーニング処理方法であって、前記被加工材が構造用部材で使用時に荷重応力が負荷されるものであり、前記特定方向が該被加工材の表面における最大主応力の方向であることを特徴とする。
（２）  本発明のレーザピーニング処理方法は、前記被加工材の表面に前記パルスレーザビームを吸収する材料層を形成して、前記パルスレーザビームの重畳照射を行なうことを特徴とする（１）に記載のレーザピーニング処理方法である。
（３）  本発明のレーザピーニング処理方法は、前記パルスレーザビームの重畳照射が、該被加工材の表面における最大主応力の方向と直交する向きに前記ビームスポットを走査して、且つ該走査を最大主応力の方向に位置をずらしながら複数回行なうものであって、前記表面の同一点における前記パルスレーザビームの照射回数の平均値（平均重畳回数）が４回以上であり、且つ平均重畳回数を、被加工材の強度、パルスレーザビームの照射条件、および所望の圧縮応力値に基づいて決定することを特徴とする（１）に記載のレーザピーニング処理方法である。
（４）  本発明のレーザピーニング処理方法は、（３）に記載のレーザピーニング処理方法において、さらに前記パルスレーザビームの重畳照射を行なう前に、前記被加工材の表面に前記パルスレーザビームを吸収する材料層を形成し、且つ前記表面の同一点における前記パルスレーザビームの照射回数の平均値（平均重畳回数）が２回以上であり、且つ平均重畳回数を、被加工材の強度、パルスレーザビームの照射条件、および所望の圧縮応力値に基づいて決定することを特徴とする。
（５）  本発明のレーザピーニング処理方法は、前記被加工材は表面に穴を有し応力が負荷されるものであって、該穴の周囲における最大主応力の方向が該穴の周方向であることを特徴とする（１）〜（４）のうちの１つに記載のレーザピーニング処理方法である。
（６）  本発明のレーザピーニング処理方法は、前記被加工材は表面に溝を有し応力が負荷されるものであって、該溝の底部における最大主応力の方向が溝に沿った向きと直角をなす方向であることを特徴とする（１）〜（４）のうちの１つに記載のレーザピーニング処理方法である。
（７）  また、本発明の金属物体は、（１）〜（６）の内のいずれか１つに記載のレーザピーニング処理方法で製造した金属物体である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の方法では、金属物体に対するレーザピーニング処理において、レーザビームの照射スポットの位置、順序、および密度を適切に選ぶことによって、最大主応力方向の圧縮応力を選択的に高めることができる。したがって、疲労寿命が長い金属物体を安定して得ることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の本旨とするところを詳らかとするため、以下、添付の図面に基づき説明を行なう。
【００１２】
図１に金属物体（被加工材）に対してレーザピーニング処理を施すための装置の一例を示す。被加工材７は、レーザビームの透過性が高い水が入った水槽５中に浸漬されている。レーザ光発振装置１から出射されたパルス幅１０ｎｓ程度のパルスレーザビーム２を集光レンズ３で集光し、水槽５に取り付けた窓４を通して被加工材７の表面に照射する。パルスレーザビーム２の被加工材表面上でのピークパワー密度は１〜１００ＴＷ／ｍ２とする。このパルスレーザビームの照射により、照射スポットからプラズマが発生するが、被加工材表面に接している水の慣性によってプラズマの膨張が抑えられるため、プラズマの圧力が高まり、その反力によってレーザビーム照射スポットの表面近傍に塑性変形を与えることが可能となる。この結果、被加工材の表面に圧縮応力を付与することができる。なお、処理は必ずしも水中で行なう必要は無く、水の噴流を加工面に吹き付ける、被加工材の表面に水膜を形成する、およびアクリル板などのレーザ光を透過させる媒質を用いる等の方法を用いても、プラズマの膨張が抑えられてその圧力を高める効果が得られるため、被加工材への圧縮応力の導入が可能である。また、図１に示すようなレーザビームが水中を透過する距離が比較的長い装置では、レーザビームの波長は水中透過性が良い可視波長等が好ましいが、被加工材の表面に１ｍｍ程度以下の水膜を形成して処理を行なう場合は、１μｍ帯の近赤外波長を持つレーザビームを用いることもできる。ビームスポットの形状は円形や楕円形であることが多いが、矩形等の形状であっても良い。以下では、円形のビームスポットを例として説明する。
【００１３】
また図２に示すように、被加工材７の表面にレーザビーム２を吸収する材料層６を形成して処理を行なってもよい。この吸収材としてはプラスチックテープやブラックペイント等を用いる。この吸収材料層６の形成によって、レーザビームおよびプラズマからの熱入力により照射スポット部の表層近傍が溶融することによって該スポット部の表層近傍の圧縮応力が減少することを防ぐことができる。したがって、より少ないスポット数にて圧縮応力を付与できるという利点がある。
【００１４】
図３に、本発明の方法を用いた、面状の被加工材に圧縮応力を付与するためのパルスレーザビームの照射方法を示す。最大主応力方向をＹ方向とする。図中に示すように、パルスレーザビームの重畳照射は、被加工材表面の最大主応力方向と直交する向きであるＸ方向をビームスポットの走査方向とし、ビームスポットの走査領域をＹ方向にずらしながら行なう。同じ走査領域内の隣接するビームスポットは互いに重なりあうように、ビームスポットを走査する。また、隣接する走査領域も互いに重なりあうように、処理を行なう。この走査領域の形成は図３において「Ｌ１→Ｌ２→Ｌ３→…」のように連続的に行なう。ここで、ビームスポットの照射順序は必ずしも図３に示したような一筆書き順序である必要はなく、例えば図に示した「Ｍ５→Ｎ５」→「Ｎ６→Ｍ６」の一筆書き順序ではなく、「Ｍ５→Ｎ５」→「Ｍ６→Ｎ６」の処理順序で走査してもよい。ビームスポットの面積をＳ０としてＮ回のパルスレーザビームの照射によって面積Ｓ１の領域を重畳照射したとき、同一点に対するパルスレーザビームの照射回数の平均値を、Ｓ０×Ｎ／Ｓ１で定義し、平均重畳回数と呼ぶ。本発明の方法では、平均重畳回数を大きくした条件で処理を行なうことで、被加工材表面の残留圧縮応力に異方性を生じさせ、Ｙ方向の圧縮応力を選択的に強化する。この結果、被加工材の引張強度と同程度の圧縮応力をＹ方向に付与することが可能であり、疲労強度を大きく高めることができる。以下では、Ｙ方向の選択的強化のメカニズムについて説明する。
【００１５】
平均重畳回数を大きくした条件では、図３中点Ｐの応力は、その真上から走査領域が形成される時点、すなわち図３中Ｌ４が形成される時点で降伏し、Ｘ方向、Ｙ方向の応力は飽和する。この時点では、Ｘ方向・Ｙ方向の応力に差はない。その後、図３にＬ５、Ｌ６、Ｌ７…で示す複数列の走査領域が形成される。以下で説明するように、これらの走査領域は、点ＰにおけるＹ方向の圧縮応力を選択的に強化する作用を及ぼす。
【００１６】
図５は、図４に示すように、Ｘ方向に１本のみ走査領域を形成した際に、その垂直な方向（Ｙ方向）に生じる残留応力の分布をＸ線残留応力測定装置を用いて測定したものである。試験片は４４０ＭＰａ級炭素鋼を用いて作成した。試験片の表面には、レーザビームを吸収する吸収材料層として厚み２００μｍのプラスチックテープを設けて処理した。処理は図２に示す装置で行ない、レーザビームは水中透過性の良いＮｄ：ＹＡＧレーザの第二高調波（波長５３２ｎｍ）を用いた。パルスレーザビームの時間幅は１０ｎｓであった。レーザビームは焦点距離１００ｍｍの凸レンズで集光した。図４に示すように、試験片上でのスポットの形は円形であり、スポット直径は０．４ｍｍ、隣接するビームスポットの中心間の距離は０．１ｍｍとした。ここでスポット直径は、ビーム全体のパワーの８６％が入る直径として定義した（以下でも同じ定義を用いる）。ピークパワー密度は５０ＴＷ／ｍ２とした。図５に示す測定結果において、マイナス符号は残留応力が圧縮応力であることを意味し、その絶対値が大きいほど、圧縮応力が高く、疲労強度に効果的である。ビームスポットの走査領域の外側（Ｙ＞０．２ｍｍ）にも圧縮応力の影響が及んでおり、その大きさは、Ｘ方向の圧縮応力よりも、Ｙ方向の圧縮応力の方が大きくなっている。
【００１７】
この結果を踏まえると、図３にＬ５、Ｌ６、Ｌ７…で示す複数列の走査領域は、これらの走査領域の外側にあるＰ点に対して、Ｘ方向の圧縮応力よりもＹ方向の圧縮応力を強化する作用を及ぼすことが分かる。Ｐ点の応力はＬ４が形成された時点で降伏に至り、既に飽和しているため、これらの走査領域の形成によってＸ方向の圧縮応力は減ってしまうが、その代償として、最大主応力方向であるＹ方向の圧縮応力はさらに高めることが可能となる。以下では、この効果を実験にて確かめた結果について述べる。
【００１８】
実験では、図３に示す一筆書き順序でビームスポットを照射することによって付与される圧縮応力を、平均重畳回数を変えながら調べた。同一走査領域内の隣接するビームスポットの間隔と、隣接する走査領域（例えば図３中のＬ１とＬ２）の中心線間の距離が等しくなるように処理した。試験片は４４０ＭＰａ級炭素鋼を用いて作成した。処理には図１もしくは図２に示す装置を用い、水槽中に浸漬した試験片にレーザビームを照射した。図２はレーザビームを吸収する吸収材料層を設けて処理する場合、図１は試験片の表面にレーザビームを吸収する材料層を形成せずに処理する場合に相当する。レーザビームは水中透過性の良いＮｄ：ＹＡＧレーザの第二高調波（波長５３２ｎｍ）を用いた。パルスレーザビームの時間幅は１０ｎｓであった。レーザビームは焦点距離１００ｍｍの凸レンズで集光した。試験片上でのスポットの形は円形であり、スポット直径は０．４ｍｍであった。ピークパワー密度は５０ＴＷ／ｍ２とした。試験片の残留応力はＸ線残留応力測定装置を用いて測定した。
【００１９】
図６、図７に、表面の残留応力の平均重畳回数依存性を示す。図６はレーザビームを吸収する吸収材料層として厚み２００μｍのプラスチックテープを設けて処理した場合の結果、図７は吸収材料層を形成せずに処理した場合の結果である。いずれの場合も、平均重畳回数を増加させるほど圧縮応力が大きくなり、吸収材料層があるときは平均重畳回数を２回以上、また吸収材料層がないときは４回以上とすればＹ方向の圧縮応力を選択的に高められることが判る。因みに吸収材料層を形成せずに平均重畳回数を１４回とした条件ではＹ方向の圧縮応力は−４９８ＭＰａであり、鋼材の一軸引張強度（４４０ＭＰａ）の１１３％と高い値になっている。
【００２０】
ところで、Ｙ方向の圧縮応力は、走査方向がＸ方向と平行である場合に最も大きくなるが、走査方向は必ずしもＸ方向と完全に一致していなくてもよい。
【００２１】
吸収材料層を形成しないで行なう処理は、吸収材の形成という工程を省くことができ、生産性の観点から有利である。ただし前述したが、この方法では、レーザビームおよびプラズマからの熱入力によって、照射スポット部の表層近傍が溶融し、該スポット部の表層近傍の圧縮応力が減少し易いという問題がある。しかしながら図７を見ると判るように、平均重畳回数を４回以上として処理すれば、最表層近傍のＹ方向の圧縮応力も十分に強化することが可能である。この溶融部の圧縮化は、平均重畳回数の増加とともに、溶融部が生成した後にその周辺部に多数のレーザパルスが照射されることにより圧縮応力が付与される効果、ならびに、溶融部の除去加工が生じることによる圧縮化効果が大きくなるために生じる。ただし、これらの効果は、溶融部が生成した後、その周辺部に多数のレーザパルスが照射されることが必要であるため、一連の処理の最後の方でレーザパルスが照射される部分に対してはこの効果は小さくなる。よって、図３に示すような一筆書き順序で処理した場合に、最後の数本の走査領域に関しては、付与される圧縮応力が小さくなるため、疲労強度向上効果が小さくなる。したがって、図３のような処理を施す領域は、金属物体表面における最大主応力が小さくなる領域まで含むようにとっておくことが効果的である。
【００２２】
吸収材料層を形成して行なう処理では、上記のような最表層の溶融が生じないため、平均重畳回数を２回以上とすることにより、Ｙ方向に十分な圧縮応力を最表層より付与できる。平均重畳回数が大きい条件では、処理中に吸収材料層が蒸発してしまわないよう、レーザビーム吸収材料として金属製の箔等を用いることが望ましい。
【００２３】
鋼材等の被加工材について、一軸引張強度の異なる被加工材においてパルスレーザビームの照射条件や平均重畳回数を変えて、付与される圧縮応力の大きさを詳細に検討した。その結果、吸収材料層の有無にかかわらず、平均重畳回数の増加とともにＹ方向の圧縮応力を強化する効果は大きくなっていくが、この効果は飽和する。この効果を飽和させるために必要な平均重畳回数は、被加工材の一軸引張強度とパルスレーザビームの照射条件に依存して決まる。この平均重畳回数は、被加工材の一軸引張強度が大きくなるほど増加し、またパルスレーザビームのピークパワー密度が増加するほど減少する。被加工材の強度が大きく、パルスレーザビームのピークパワー密度が十分に得られない場合は、必要な平均重畳回数が１００回を超えることがある。このような場合に、効果を飽和させるまで平均重畳回数を大きくして処理することは、コストの観点から望ましくない可能性がある。したがってそのような場合には、予定される使用条件で決まる所望の疲労強度から、最大主応力方向に必要な圧縮応力を見積もり、その圧縮応力を付与するために必要な平均重畳回数の下限値付近の条件で処理してもよい。
【００２４】
次に、穴を有する被加工材に圧縮応力を付与するための方法について説明する。ここでは、穴の周方向に負荷される応力によって疲労強度が問題となる被加工材に対する処理を示す。図８に本発明の照射方法を示す。図中に示すように、走査方向は常に周方向と直角をなす向きにとり、穴８の全周にわたり重畳照射する。上述したように、平均重畳回数を大きくした条件で処理すれば、穴８の全周にわたり、周方向の圧縮応力を選択的に高めることが可能となる。なお、疲労強度が問題になる領域が周の一部分に限られているような場合は、パルスレーザビームを穴の全周にわたり重畳照射する必要はなく、疲労強度が問題となる部分を含む領域にのみ重畳照射すればよい。例えば、穴８の両端部の２点において、穴８の周の接線方向が最大主応力方向となり、この方向の強化が必要となる場合は、図９に示すように照射することが効果的である。図中に示すように、レーザビームのスポットを、疲労強度が問題となるＡ点およびＢ点における最大主応力方向（図９中Ｙ方向）と直角をなす方向（図９中Ｘ方向）に走査する。このような処理によって、Ａ点およびＢ点における最大主応力方向の圧縮応力を選択的に高めることができる。
【００２５】
次に、溝等の切り欠きを有する被加工材に圧縮応力を付与するための方法について説明する。ここでは図１０に示すように、半径Ｒの半円形状を持つ溝の底部において、溝に沿った向きと直角をなす方向（Ｙ方向）が最大主応力方向となるために疲労強度が問題となる被加工材を考える。図１０の平面図に示すように、溝部へのパルスレーザビームの重畳照射は、溝に沿った向きを走査方向にとって行なう。溝の底部におけるＹ方向の圧縮応力を選択的に強化するために、図１０中にＬ２で示す走査領域を溝底部中心付近に形成した後に、溝底部の中心線よりも右側の領域にもＬ３で示すような走査領域を形成する。Ｌ３のように、溝底部の中心線から離れた部分への照射では、Ｙ方向に対して処理面が傾斜しているため、断面図中ｌ１方向からレーザビームを入射させる場合には、溝底部中心線上へ照射する場合（Ｌ２）よりもピークパワー密度が下がることになる。ここで所定のピークパワー密度（１〜１００ＴＷ／ｍ２）に満たない場合は、ｌ２で示すように、レーザ入射方向をＺ方向から傾けることが望ましい。なお、ここでは半円形状を持つ溝を有する被加工材への処理例を示したが、上記方法は、例えば楕円形状等、任意の曲率を持った断面形状に対して適用可能である。
【実施例】
【００２６】
以下、本発明の実施例として、被加工材である試験片に対して、種々のパルスレーザビームの照射条件でレーザピーニング処理した後、疲労試験を実施した結果を説明する。レーザピーニング処理は図１もしくは図２に示す装置を用いて行なった。図１は試験片の表面にレーザビームを吸収する材料層を形成せずに処理する場合、図２は吸収材料層を形成して処理する場合にそれぞれ対応する。試験片は水槽中に浸漬し、パルスレーザビームを水槽に取り付けられた窓を通して試験片の表面に照射した。レーザビームは水中透過性の良いＮｄ：ＹＡＧレーザの第二高調波（波長５３２ｎｍ）を用いた。パルスレーザビームの時間幅は１０ｎｓであった。レーザビームは焦点距離１００ｍｍの凸レンズで集光した。試験片上でのスポットの形は円形であり、スポット直径は０．３ｍｍであった。ピークパワー密度は５０ＴＷ／ｍ２とした。以下で説明する第１〜第３の実施例におけるレーザ処理では、図３に示す一筆書き順序でビームスポットを形成したが、同一走査領域内の隣接するビームスポットの間隔と、隣接する走査領域の中心線間の距離が等しくなるように処理を行なった。
【００２７】
（第１の実施例）
本発明の第１の実施例として、面状の被加工材に圧縮応力を付与し、平面曲げ疲労試験を実施した結果を示す。４４０ＭＰａ級炭素鋼を用いて作成した試験片の形状を図１１に示す。荷重作用方向は長手方向（図１１中Ｙ方向）とし、荷重条件は両振りとした。図中に示すように、試験片の荷重方向と直交する向き（図１１中Ｘ方向）を走査方向とする一筆書き順序にて、パルスレーザビームを照射した。処理は荷重方向の２０ｍｍ幅にわたり行ない、また、両面に施した。各種処理条件に対する疲労試験結果を表１に示す。表１には、処理領域中心部である図１１中Ｐ点の表面の残留応力を、Ｘ線残留応力測定装置を用いて測定した結果も示す。疲労強度としては、破断寿命が２００万回になる応力範囲を用いた。条件１は比較例で、レーザ処理を施さなかった試験片に対する結果である。条件２〜５は試験片の表面にレーザビームを吸収する材料層を設けずにレーザ処理を施した場合である。条件２は、平均重畳回数が１．７回の比較例であるが、Ｘ方向とＹ方向の残留応力は共に引張であり、疲労強度の向上は見られなかった。平均重畳回数を３．５回とした条件３（比較例）では、Ｙ方向の圧縮応力が小さいために疲労強度向上効果が小さかったが、平均重畳回数を６．９回とした条件４（本発明例）では、疲労強度が約２５％向上した。さらに、平均重畳回数を１４回とした条件５（本発明例）では、鋼材の引張強度である４４０ＭＰａと同程度の大きさの圧縮応力（−４５１ＭＰａ）をＹ方向に付与することができ、約４０％の疲労強度の向上が得られた。このように、平均重畳回数を増加させるほど荷重方向であるＹ方向の圧縮応力が選択的に高められ、疲労強度が向上することが判った。条件６〜９では、試験片の表面にレーザビームを吸収する吸収材料層として厚み２００μｍのプラスチックテープを設けて処理した。この場合も、平均重畳回数を増加させるほど、Ｙ方向の圧縮応力を選択的に高めることができ、疲労強度を向上させられることが判った。平均重畳回数を３．５回とした条件８（本発明例）で、約２５％の疲労強度向上が得られた。条件６、７は、平均重畳回数が２回未満の比較例であるが、Ｘ方向とＹ方向の残留応力にほとんど差がなく、得られる疲労強度の向上は１５％以下であった。
【表１】
2006218541.tif 000003
【００２８】
（第２の実施例）
本発明の第２の実施例として、穴を有する金属物体に対して、穴周囲における疲労強度向上効果を検証するために行なった疲労試験の結果を示す。図１２に示すような、直径６ｍｍのくびれた部分の中央に直径１ｍｍの貫通穴が開いた試験片を用いて小野式回転曲げ疲労試験を実施した。試験片は４４０ＭＰａ級炭素鋼を用いて作成した。試験片の貫通穴付近に応力集中が生じ、図中Ａ点およびＢ点において応力は最大となり、その最大主応力方向はＹ方向となる。この方向の圧縮応力を高めるために、図１２に示すようにＸ方向を走査方向とする一筆書き順序にて重畳照射を行なった。この照射は、穴の中心を中心とする４ｍｍ×４ｍｍの矩形領域（図１２中斜線部）内の貫通穴を除いた部分に対して行なった。表２に疲労試験結果を示す。表には、Ａ点におけるＹ方向の残留応力を測定した結果も示す。条件１０は比較例で、レーザ処理を施さなかった試験片に対する結果である。条件１１、１２は、試験片の表面にレーザビームを吸収する材料層を形成しなかった場合であり、条件１３、１４は吸収材料層として厚み２００μｍのプラスチックテープを設けた場合である。いずれの場合についても、比較例よりも平均重畳回数を大きくした条件で処理した本発明の例の方が大きな疲労強度向上が見られた。本発明の例である条件１２、１４では、比較例に対して６０％を超える疲労強度の向上が得られた。
【表２】
2006218541.tif 000004
【００２９】
（第３の実施例）
本発明の第３の実施例として、溝を有する金属物体に対して、溝の底部における疲労強度向上効果を検証するために行なった疲労試験の結果を示す。図１３に示すような、直径６ｍｍのくびれた部分の中央部の全周にわたりＲ＝０．５ｍｍの溝をつけた試験片を用いて小野式回転曲げ疲労試験を実施した。試験片は４４０ＭＰａ級炭素鋼を用いて作成した。最大主応力が発生するのはＹ方向であり、この方向の圧縮応力を高めるために、試験片の周方向を走査方向としながら溝部周りに螺旋状に重畳照射を行なった。処理は、溝の曲率のついた部分全体（図１３中斜線部）に対して行なった。表３に疲労試験結果を示す。表には、溝底部におけるＹ方向の残留応力を測定した結果も示す。条件１５は比較例で、レーザ処理を施さなかった試験片に対する結果である。条件１７に示すように、試験片の表面にレーザビームを吸収する材料層を形成せず、平均重畳回数１４回で処理したところ、５０％を超える疲労強度向上効果が得られた。条件１６は平均重畳回数を１．７回とした比較例であるが、疲労強度の向上はほとんど得られなかった。
【表３】
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【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】レーザビーム照射装置を示す平面図である。
【図２】レーザビーム照射装置を示す平面図である。
【図３】本発明のレーザビーム照射方法を示す平面図である。
【図４】レーザビーム照射方法を示す平面図である。
【図５】レーザビームのスポット走査領域周辺の圧縮応力分布を示すグラフである。
【図６】レーザピーニング処理したサンプルの応力を示すグラフである。
【図７】レーザピーニング処理したサンプルの応力を示すグラフである。
【図８】穴周辺へのレーザビーム照射方法を示す平面図である。
【図９】穴周辺へのレーザビーム照射方法を示す平面図である。
【図１０】溝部へのレーザビーム照射方法を示す図である。
【図１１】本発明の実施例で用いた試験片を示す平面図である。
【図１２】本発明の実施例で用いた試験片を示す平面図である。
【図１３】本発明の実施例で用いた試験片を示す平面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１…レーザ光発振装置
２…レーザビーム
３…集光レンズ
４…光学窓
５…水槽
６…レーザビームを吸収する材料層
７…被加工材
８…穴
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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